(57)【要約】  本開示は一般に、ロータに結合された回転シャフトをステータに対して支持するための一体式上部構造に関する。一体型の上部構造は回転構成部品を支持する。上部構造(200)は、シャフト(234)と接触する軸受部分(232)を含む。ステータ部分は、ロータから半径方向外向きに臨界寸法だけ間隔を空けて配置される。第1の環状伝達部分は、軸受からステータ部分まで軸方向前方に延在する。第2の環状伝達部分は、ステータ部分から取付フランジ(214)まで軸方向後方に延在する。取付フランジ(214)は、上部構造(200)をフレームに接続する。上部構造(200)は、上部構造の温度が上昇したとき、ロータとステータとの間の臨界寸法を保つ。ロータは、ガスタービンエンジンの圧縮機インペラ(11)とすることができ、ステータは、空気を燃焼器内に送る空力構成部品(300)とすることができる。
2019537683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向のシャフトおよびロータを含む回転構成部品から荷重を伝えるための装置であって、
前記回転構成部品を支持する一体型の上部構造を備え、前記上部構造が、
前記シャフトと接触する軸受部分と、
前記ロータから半径方向外向きに臨界寸法だけ間隔を空けて配置されたステータ部分と、
前記軸受部分から前記ステータ部分まで軸方向前方に延在する第1の環状伝達部分と、
前記上部構造をフレームに接続する取付フランジと、
前記ステータ部分から前記取付フランジまで軸方向後方に延在する第2の環状伝達部分と
を備えた、装置。
【請求項２】
前記第1の環状伝達部分および前記第2の環状伝達部分によって、前記ステータ部分が、前記装置の温度が上昇したときに前記ロータと同じ方向に移動することができる、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記装置の温度が少なくとも華氏200度上昇したときに前記臨界寸法が10%以内に保たれる、請求項1に記載の装置。
【請求項４】
回転シャフトと上部構造の軸受部分とを接触させることによって前記シャフトから前記軸受部分に荷重を伝えるステップと、
前記上部構造の第1の環状支持体を介して前記軸受部分からステータ部分に前記荷重を伝えるステップと、
前記上部構造の前記ステータ部分から第2の環状支持体に前記荷重を伝えるステップと、
前記第2の環状支持体から取付タブに前記荷重を伝えるステップと、
前記取付タブから乗物に前記荷重を伝えるステップと
を含む軸受荷重を分布させる方法。
【請求項５】
前記回転シャフトがロータに結合され、前記ロータと前記ステータ部分との間に臨界寸法が画定される、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記ロータの温度および前記ステータ部分の温度が少なくとも華氏200度上昇したときに前記臨界寸法を10%以内に保つステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
縦方向近位のディフューザケース部分、少なくとも1つの取付フランジ、および縦方向遠位の燃焼器ケース部分を含む外側ケースと、
環状の空力部分支持体を介して前記外側ケースに接続された空力構成部品であって、ディフューザ部分、および前記ディフューザ部分の半径方向端部から前記燃焼器ケース部分の内部まで延在する複数の接続チューブを備えるデスワーラ部分を含む空力構成部品と
を備える一体式上部構造を備えるガスタービンエンジンの構成部品。
【請求項８】
前記環状の空力部分支持体が、前記外側ケースの内部を前方領域と後方領域とに分け、前記複数の接続チューブが前記前方領域から前記後方領域まで延在する、請求項7に記載の構成部品。
【請求項９】
前記ディフューザ部分がインペラから臨界寸法だけ間隔を空けて配置された、請求項7に記載の構成部品。
【請求項１０】
前記空力構成部品の温度が上昇すると、前記空力構成部品が半径方向に膨張し、前記空力構成部品の軸方向の移動が閾値未満である、請求項9に記載の構成部品。
【請求項１１】
前記空力構成部品の前記温度が少なくとも華氏200度上昇したときに前記臨界寸法が10%以内に保たれる、請求項10に記載の構成部品。
【請求項１２】
前記デスワーラ部分が、前記インペラの軸方向後方に圧縮機インペラ背壁スワールプレートをさらに備えた、請求項9に記載の構成部品。
【請求項１３】
前記空力構成部品の軸方向後方面から延在する油溜めハウジングであって、タービン冷却通路が埋め込まれた油溜めハウジングをさらに備えた請求項7に記載の構成部品。
【請求項１４】
前記複数の接続チューブが、前記油溜めハウジングの外壁の一部分を形成し、前記複数の接続チューブが、前記複数の接続チューブと前記油溜めハウジングの内部との間の流体連通を可能にする複数の空気抜取ポートを含む、請求項13に記載の構成部品。
【請求項１５】
前記油溜めハウジングの後方端部に配置されたタービン冷却加速器をさらに備えた請求項14に記載の構成部品。
【請求項１６】
前記油溜めハウジングから半径方向内向きに延在する少なくとも1つの軸受をさらに備え、前記油溜めハウジングが、前記空力構成部品および前記空力部分支持体を介して前記少なくとも1つの取付フランジに軸受荷重を分布させる、請求項13に記載の構成部品。
【請求項１７】
前記外側ケースが、前記前方領域から前記外側ケースの後方端部まで延在するタービン冷却通路をさらに備えた、請求項8に記載の構成部品。
【請求項１８】
前記インペラ背壁スワールプレートの軸方向後方面から延在する三角形断面を有する環状のインペラ背壁補強部をさらに備えた請求項12に記載の構成部品。
【請求項１９】
前記環状の空力部分支持体が、前記外側ケースと前記空力構成部品との間の熱結合を制限する、請求項7に記載の構成部品。
【請求項２０】
ガスタービンエンジン内の荷重を支持する方法であって、
回転シャフトと油溜めハウジングの軸受部分とを接触させることによって前記シャフトから前記軸受部分に荷重を伝えるステップと、
前記油溜めハウジングの円錐部材を介して前記軸受部分から、ディフューザ部分、および前記ディフューザ部分の半径方向遠位端から燃焼器ケースの内部まで延在する複数の接続チューブを備えたデスワーラ部分を含む空力構成部品に前記荷重を伝えるステップと、
前記空力構成部品から、前記複数の接続チューブに接続された環状の空力構成部品支持体に前記荷重を伝えるステップと、
前記環状の空力構成部品支持体から取付タブに前記荷重を伝えるステップと、
前記取付タブから、前記ガスタービンエンジンを支持するフレームに前記荷重を伝えるステップと
を備えた方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、ロータに結合された回転シャフトをステータに対して支持するための一体式上部構造に関する。一例では、ロータはガスタービンエンジン用のインペラであり、ステータはインペラからの圧縮空気を案内するための空力構成部品である。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいては、吸気は圧縮機によって圧縮される。燃料は圧縮空気に加えられて燃焼器内で点火される。高温空気は膨張しながらタービンを通ってノズルを出て推力を与える。タービンは、膨張する高温空気のエネルギーのいくらかを圧縮機に動力を与えるための回転エネルギーに変換する。
【０００３】
圧縮機と燃焼器との間の境界部には、回転インペラと静止空力構成部品との間の重要な間隔が含まれる。一態様では、回転インペラは、高圧の圧縮空気を生じる最終段の求心圧縮機インペラである。静止空力構成部品は、圧力を拡散し、圧縮空気内の旋回流れを減衰させながら、圧縮空気を燃焼器内に導く。インペラと空力構成部品との間のアライメントおよび隙間は、ガスタービンエンジンの性能に影響する臨界寸法である。構成部品のアライメントがずれたり、または隙間が大きくなりすぎると、圧縮空気は正しく燃焼器に入らない。
【０００４】
従来のガスタービンエンジンでは、インペラシュラウドは(例えば、ボルトまたはリベットによって)燃焼器ケースに取り付けられる。空力構成部品は、インペラシュラウドと燃焼器ケースとの間の接続部で支持される。エンジンの温度が上昇すると、熱膨張によって空力構成部品はインペラに対して移動する。したがって、空力構成部品とインペラとの間のアライメントおよび隙間は変化し、これはエンジン性能の低下をもたらす。
【０００５】
図1は、圧縮機110と燃焼器120との間の境界部102を含む例示的な従来システム100の概略断面図である。圧縮機ケース112はインペラシュラウド116と結合されている。インペラ114はシャフト126とともに回転する。インペラシュラウド116は、接続具118によって燃焼器ケース122に結合される。シャフト126は軸受128によって回転可能に支持される。軸受128は、シャフト126から油溜めハウジング134に荷重を伝える。油溜めハウジング134は空力構成部品130に結合され、空力構成部品130は、接続具118と燃焼器ケース122との間の接続部において燃焼器ケース122に取り付けられる。燃焼器ケース122は、システム100を乗物または他のフレーム(例えば、発電機ハウジング)に取り付けるための取付点124を含む。
【０００６】
荷重経路136は、従来システム100におけるシャフト126からの荷重の分布を示す。荷重は軸受128にかかり、油溜めハウジング134に伝えられる。油溜めハウジング134は空力構成部品130に荷重を伝え、空力構成部品130は、接続具118を介して圧縮機110、および取付点124を含む燃焼器120の両方に荷重を伝える。
【０００７】
挿入図の部分150は、システム100の温度が変化したときのインペラ114と空力構成部品130との相対移動を示す。実線で示すように、システムが比較的低温のとき、インペラ114と空力構成部品130は、それらの間の隙間が小さくなるように位置合わせされている。隙間は、例えば、ほぼ20milとすることができる。破線で示すように、システムが比較的高温のとき、熱膨張によって高温の空力構成部品は半径方向外向きで縦方向遠位に移動する。これらの方向は、部分的に、縦方向成分を膨張に加える接続具118を介して圧縮機110に荷重をかける空力構成部品130によるものである。高温のインペラ152は半径方向外向きに移動する。インペラ114と空力構成部品130との間の隙間は増大し、構成部品のアライメントがずれる。
【０００８】
上記のことを考えると、ガスタービンエンジンにおいて、インペラなどのロータを空力構成部品などのステータに対して支持することに関して問題、欠点、または不利があること、ならびに、ステータに対してロータを支持するための改善されたシステムおよび方法が考案されれば望ましいことを認識することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような態様を基本的に理解してもらうために、以下に本発明の1つまたは複数の態様を簡略化した概要を提示する。本概要は、すべての熟考された態様の広範囲の概要ではなく、すべての態様の鍵または重要な要素を特定すること、あるいは任意の、またはすべての態様の範囲を詳しく説明することを意図したものでもない。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、簡略化された形で1つまたは複数の態様のうちのいくつかの概念を提示することである。
【００１０】
一態様では、本開示は、縦方向のシャフトおよびロータを含む回転構成部品から荷重を伝えるための装置を提供する。本装置は、回転構成部品を支持する一体型の上部構造を含む。一体型の上部構造は、シャフトと接触する軸受部分を含む。一体型の上部構造は、ロータから半径方向外向きに臨界寸法だけ間隔を空けて配置されたステータ部分を含む。一体型の上部構造は、軸受からステータ部分まで軸方向前方に延在する第1の環状伝達部分を含む。一体型の上部構造は、上部構造をフレームに接続する取付フランジを含む。一体型の上部構造は、ステータ部分から取付フランジまで軸方向後方に延在する第2の環状伝達部分を含む。
【００１１】
別の態様では、本開示は、軸受荷重を分布させる方法を提供する。本方法は、回転シャフトと上部構造の軸受部分とを接触させることによってシャフトから軸受部分に荷重を伝えるステップを含む。本方法は、上部構造の第1の環状支持体を介して軸受部分からステータ部分に荷重を伝えるステップを含む。本方法は、上部構造のステータ部分から第2の環状支持体に荷重を伝えるステップを含む。本方法は、第2の環状支持体から取付タブに荷重を伝えるステップを含む。本方法は、取付タブから乗物に荷重を伝えるステップを含む。
【００１２】
別の態様では、本開示は、ガスタービンエンジンの構成部品を提供する。本構成部品は、縦方向近位のディフューザケース部分、少なくとも1つの取付フランジ、および縦方向遠位の燃焼器ケース部分を含む外側ケースを含む一体式上部構造を含む。一体式上部構造はまた、環状の空力部分支持体を介して外側ケースに接続された空力構成部品であって、ディフューザ部分、ディフューザ部分の半径方向端部から燃焼器ケース部分の内部まで延在する複数の接続チューブを備えるデスワーラ部分を含む空力構成部品を含む。
【００１３】
さらに別の態様では、本開示は、ガスタービンエンジン内の荷重を支持する方法を提供する。本方法は、シャフトと油溜めハウジングの軸受部分とを接触させることによって回転シャフトから軸受部分に荷重を伝えるステップを含む。本方法は、油溜めハウジングの円錐部材を介して軸受部分から、ディフューザ部分、およびディフューザ部分の半径方向遠位端から燃焼器ケースの内部まで延在する複数の接続チューブを備えたデスワーラ部分を含む空力構成部品に荷重を伝えるステップを含む。本方法は、空力構成部品から、複数の接続チューブに接続された環状の空力構成部品支持体に荷重を伝えるステップを含む。本方法は、環状の空力構成部品支持体から取付タブに荷重を伝えるステップを含む。本方法は、取付タブから、ガスタービンエンジンを支持するフレームに荷重を伝えるステップを含む。
【００１４】
本発明のこれらのおよび他の態様は、以下の詳細な説明を精査することにより、より完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】圧縮機と燃焼器との間の境界部を含む従来のガスタービンエンジンの例を示す概略図である。
【図２】本開示の態様による例示的な上部構造の斜視図である。
【図３】図2の例示的な上部構造の上面図である。
【図４】図2の例示的上部構造の前面図である。
【図５】図2の例示的な上部構造の後面図である。
【図６】図2の例示的な上部構造の軸方向断面図である。
【図７】図2の例示的な上部構造の別の軸方向断面図である。
【図８】例示的な上部構造の前方領域の半径方向断面図である。
【図９】例示的な上部構造の空力構成部品の別の半径方向断面図である。
【図１０】例示的な上部構造に対する荷重経路の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
添付図面に関連して以下に記載する詳細な説明は、様々な構成を説明するものとして意図されたものであって、本明細書で説明する概念を実施することができる唯一の構成を提示するように意図されたものではない。この詳細な説明は、様々な概念を完全に理解してもらうために特定の詳細を含んでいる。しかしながら、当業者であれば、これらの特定の詳細がなくてもこれらの概念を実施することができることは明らかであろう。いくつかの例では、このような概念を不明瞭にしないために、よく知られている構成部品はブロック図の形で示されている。
【００１７】
用語「軸方向の」または「軸方向に」は、本明細書において使用されるとき、エンジンの縦方向軸線に沿った広がりを指す。「軸方向の」または「軸方向に」と併せて使用される用語「前方」は、エンジン入口、または別の構成部品と比較してエンジン入口に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを指す。「軸方向の」または「軸方向に」と併せて使用される用語「後方」は、エンジンの後部または出口、あるいは入口よりも出口に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを指す。
【００１８】
用語「半径方向の」または「半径方向に」は、本明細書において使用されるとき、エンジンの縦方向中心軸線とエンジン外周との間を延在する広がりを指す。用語「近位の」または「近位に」の使用は、これらの用語だけで、または用語「半径方向の」または「半径方向に」と併せて、縦方向中心軸線、または別の構成部品と比較して縦方向中心軸線に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを指す。用語「遠位の」または「遠位に」の使用は、これらの用語だけで、または用語「半径方向の」または「半径方向に」と併せて、エンジン外周、または別の構成部品と比較してエンジン外周に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを指す。用語「横方向の」または「横方向に」は、本明細書において使用されるとき、軸方向および半径方向の広がりの両方に垂直な広がりを指す。
【００１９】
図2〜図9は、本開示の態様による例示的な一体式上部構造200を示す。図2は、一体式上部構造200の斜視図である。一体式上部構造200は、ガスタービンエンジンの燃焼器用の上部構造とすることができる。一態様では、一体式上部構造200は、従来の燃焼器の複数の構成部品の機能を実行する単一の統合化された構成部品とすることができる。例えば、一体式上部構造200は、典型的には別々のディフューザ、デスワーラ、スワールプレート、およびディフューザケースを含む空力構成部品の機能を実行する。一体式上部構造200はまた、燃焼器ケース組立体の機能(例えば、燃焼器の様々な構成部品への燃料、空気、および計測機器の経路)を実行する。一体式上部構造200はまた、内側シュラウドを用いてシャフトを支持しタービン冷却空気を管理する軸受油溜めの機能を実行する。下記でさらに詳細に説明するように、燃焼器構成部品の様々な機能を組み合わせて統合化された構成部品にすることによって、一体式上部構造200は燃焼器の総重量を削減する。一体式上部構造200はまた、最適化された経路の設計を可能にし、それによってオイル量が少なく、輸送長さが短くて済む。さらに、一体式上部構造では、組立の危険性および留め具の損傷がない。
【００２０】
一体式上部構造200は、全体として、従来の燃焼器ケースおよびディフューザケースに相当する外側ケース210を含む。図3および図7において最もよく分かるように、外側ケース210は、縦方向近位域にディフューザケース部分250、および縦方向遠位域に燃焼器ケース部分260を含むことができる。外側ケース210は、燃料ラインを受け入れて燃料ノズルを取り付けるための燃料ノズルポート212を燃焼器ケース部分260に含む。外側ケース210はまた、ディフューザケース部分250と燃焼器ケース部分260との間に配置された取付タブ214を含む。取付タブ214は、外側ケース210の周りに間隔を置いて配置され、半径方向外向きに延在する。取付タブ214は、一体式上部構造200を乗物のフレームまたは発電機のフレームなどのフレームに取り付けるために使用される。ディフューザケース部分250は、圧縮機ケースに取り付けるための圧縮機フランジ252を含む。外側ケース210はまた、点火線が外側ケース210を通り抜けるための点火器ポート216を含む。外側ケース210はまた、計測器または計測線が外側ケース210を通り抜けるための計測ポート218を含む。外側ケース210はまた、冷却空気を一体式上部構造200の前方部分からタービンなどの後方の構成部品に送るための冷却空気通路254を含む。
【００２１】
図6および図7において最もよく分かるように、一体式上部構造200はまた、中央に配置された軸受油溜めハウジング230を含む。軸受油溜めハウジング230は、シャフト234(図4に示す)を支持する軸受を取り付けるための軸受支持体232を含む。軸受油溜めハウジング230は、空力構成部品300を支持する円錐部分236をさらに含む。円錐部分236は、軸受支持体232から空力構成部品300の方へ縦方向近位に延在する環状伝達部分である。円錐部分236は、軸受支持体232から空力構成部品300に荷重を伝える。一態様では、円錐部分236は、軸受油溜めハウジング230およびインペラに対して空力構成部品300の位置を保つような形状である。軸受油溜めハウジング230は、円錐部分236と空力構成部品300と内側燃焼器シュラウド148との間に画定されたタービン冷却通路240をさらに含む。タービン冷却通路240は、空力構成部品300から清浄な空気を引き入れて、その清浄な空気を、加速器242を通してタービン冷却翼(図示せず)に供給する。内側燃焼器シュラウドは清浄な空気を案内するとともに、軸受油溜めハウジング230のためのヒートシールドを提供する。軸受油溜めハウジングは、軸受油溜めシール面244をさらに含む。例えば、軸受油溜めシール面244は内向きに延在するフランジとすることができる。軸受油溜めシール面244は軸受のためのシールを形成することができる。軸受油溜めハウジングは、タービンに接続するためのタービン取付面246を含む。
【００２２】
空力構成部品300は、圧縮機インペラ114から空気を受け入れ、燃焼器に圧縮空気を供給する。例えば、空力構成部品300は、従来、ディフューザおよびデスワーラによって実行されていた機能を実行する。一態様では、圧縮機インペラ114はロータと考えることができ、空力構成部品300はステータと考えることができる。空力構成部品300は、外側ケース210の内部を前方領域と後方領域に分割する。下記でさらに詳細に説明するように、空力構成部品300はまた、軸受油溜めハウジング230から外側ケース210および取付タブ214に荷重を伝える荷重支持構成部品である。空力構成部品300は、ディフューザ部分310、背壁スワールプレート320、デスワーラチューブ330、および空力構成部品支持体370を含む。
【００２３】
図8は、図3の線8-8に沿った横方向の断面を示す。ディフューザ部分310は、縁312まで半径方向内向きに延在する環状部材である。図9は、ディフューザ部分310を通る図3の線9-9に沿った横方向の断面を示す。図9において最もよく分かるように、ディフューザ部分310は、縁312から半径方向外向きに延在する複数の内部通路314を含む。縁312における通路の開口は、最終段の圧縮機インペラと位置合わせされている。内部通路314が縁312からデスワーラチューブ330の方へ延びるにつれて内部通路314の直径は拡大する。下記でさらに詳細に説明するように、ディフューザ部分310と圧縮機インペラとの間の隙間は、性能に対して重要な間隔になり得る。例えば、ディフューザ部分310とインペラとの間の距離が長くなると、加圧空気が内部通路314を通って空力構成部品300に移送される効率が低くなる。
【００２４】
背壁スワールプレート320は、圧縮機インペラの後方に配置されたプレートである。背壁スワールプレート320は、圧縮機インペラを出る空気を半径方向外向きに偏向させる。一実施形態では、背壁スワールプレート320は、インペラ背壁補強部322をさらに含む。インペラ背壁補強部322は、インペラからの力に抗する三角形断面を有する環状部材である。さらに、インペラ背壁補強部322は、周波数を調整してエンジンが発する共鳴周波数騒音を打ち消す。
【００２５】
デスワーラチューブ330は、ディフューザ部分310から燃焼器ケース部分260の内側まで延在する複数の接続チューブである。それぞれのチューブは、まず、ディフューザ部分310から半径方向外向きに延びる。次いで、それぞれのチューブは、縦方向および横方向の両方向に曲がる。一態様では、横方向の湾曲は、インペラの動く方向とは反対方向である。したがって、デスワーラチューブ330は、圧縮空気の横方向の旋回を減らす。デスワーラチューブ330の縦方向の湾曲は、前方領域から後方領域の燃焼器ケース部分260内に配置されたデスワーラ出口334まで延びる。デスワーラチューブ330は、前方領域から後方領域までの唯一の経路であり得る。一態様では、デスワーラチューブ330は、タービン冷却および油溜め加圧のための空気抜取ポート332を含むことができる。例えば、空気抜取ポートは、デスワーラチューブ330の内部をタービン冷却通路240に接続することができる。
【００２６】
空力構成部品支持体370は、空力構成部品300を外側ケース210に対して支持する環状部材である。空力構成部品支持体370は、空力構成部品300から取付タブ214近くの外側ケース210に軸受荷重を伝える。空力構成部品支持体370は、デスワーラチューブ330から外側ケース210まで縦方向および半径方向に延在する。一態様では、外側ケース210は、空力構成部品300および軸受油溜めハウジング230よりも比較的温度が低くなり得る。例えば、動作時、空力構成部品300は、外側ケース210よりも華氏200度以上高温になり得る。軸受油溜めハウジング230は空力構成部品300よりもさらに高温になり得る。
【００２７】
荷重および熱の伝達を最適に管理するために、特定のエンジンに対して、空力構成部品支持体370の様々な特性を選択することができる。特に、エンジンの温度が上昇したときに、インペラに対して空力構成部品300の位置を保つように空力構成部品支持体370の形状を選択することができる。例えば、空力構成部品支持体370は、空力構成部品300の縦方向の動きに抗しながら、空力構成部品300の半径方向の膨張を許容することができる。空力構成部品300の半径方向の膨張はインペラの半径方向の膨張と一致し、それによってインペラと空力構成部品との間の重要な隙間を保つことができる。空力構成部品支持体370は、空力構成部品300の縦方向の動きに抗することによって、インペラとディフューザ部分310との間のアライメントを保つ。
【００２８】
図10は、例示的な上部構造の荷重経路1136を示す概略図である。シャフト126は、軸受支持体232に荷重をかける。軸受支持体232は、軸受油溜めハウジング230に荷重を伝える。円錐部分236は、空力構成部品300に荷重を伝える。この例では、円錐部分は、背壁スワールプレート320とデスワーラチューブ330との間の空力構成部品に接続されている。デスワーラチューブ330は、環状の空力構成部品支持体370に荷重を伝える。環状の空力構成部品支持体370は、取付タブ214を含む外側ケース210に荷重を伝える。
【００２９】
ディフューザ部分310は、インペラ114から臨界寸法で配置される。ディフューザ部分310は、円錐部分236によって、および、デスワーラチューブ330を介して管状の空力構成部品支持体370によって支持される。ディフューザ部分310が、ディフューザケース部分250に直接接続されているのではないことを留意すべきである。したがって、荷重経路1136は、図1の荷重経路136とは異なり、ディフューザケース部分310を通って軸方向構成部品を含まない。挿入図1150は、インペラ114とディフューザ部分310との間の境界部分の拡大図である。インペラ114およびディフューザ部分310が低温のとき(例えば、起動時、実線で示す)、インペラ114とディフューザ部分310との間には小さな空間がある。さらに、インペラ114とディフューザ部分310とは、インペラを半径方向に出た圧縮空気がディフューザに移動するように位置合わせされている。システムの温度が上昇すると(例えば、動作中、破線で示す)、高温のインペラ1114は半径方向に膨張し、前方にわずかに移動することがある。空力構成部品300の支持構造体および荷重経路1136により、高温のディフューザ1310もまた、半径方向に膨張し、前方にわずかに移動する。前方の移動は閾値未満に保つことができる。したがって、高温のインペラ1114と高温のディフューザ1310との間の間隔は、低温のインペラ114と低温のディフューザ部分310との間の間隔とほぼ同じに留まる。一態様では、システムの温度が少なくとも華氏200度上昇したとき、インペラ114とディフューザ部分310との間の臨界寸法は10%以内に保たれる。さらに、高温のディフューザ1310は半径方向のアライメントを保つ。例えば、高温のディフューザ154とは異なり、高温のディフューザ1310は、インペラ114に対して同じ姿勢を保つ。したがって、システムの温度が上がったとき、インペラ114とディフューザ部分310との間の境界部は移送効率を保つ。
【００３０】
一体式上部構造200は付加製造(AM:additive manufacturing)プロセスを使用して製造することができる。AMは、自由形状造形、3D印刷、ラピッドプロトタイピング/ツーリングなどを含む、様々な名称で知られている様々な製造およびプロトタイピング技法を包含する。AM技法は、広範な材料から複雑な構成部品を製作することができる。一般に、自立する物体は、コンピュータ支援設計(CAD:computer aided design)モデルから製作することができる。特定のタイプのAMプロセス、直接金属レーザ溶解(DMLM:direct metal laser melting)は、エネルギービーム、例えば、レーザビームなどの電子ビームまたは電磁放射を用いて粉末材料を焼結または溶融して、粉末材料の粒子が一緒に接合されたしっかりとした3次元物体を生成する。AMは、例えば、複数の同心および同軸の副構成部品を含む一体式上部構造200を製造するために特に適用可能の場合がある。一態様では、一体式上部構造200は、縦方向軸線に沿って一層ずつ製作することができる。AMプロセスは、統合化された構造として一体式上部構造を製作することができる。造形プロセス中、一体式上部構造の部分を配置するために様々な支持体を使用することができる。完成時には、支持体および任意の溶融していない粉末は、一体式上部構造200から除去することができる。さらに、交換可能な軸受、燃料ライン、計測機器などのさらなる構成部品を上部構造に取り付けることができる。一態様では、上記の構成部品のうちの1つまたは複数は、上部構造に統合化された取付具に取り付けられた同様な構成部品で置き換えることができる。
【００３１】
一態様では、一体式上部構造200の一体式で統合化された設計は、単一の構成部品として保守点検および特徴を一体化する。副構成部品レベルにおいてではなく、統合化された設計に対して最適設計を行うことができる。例えば、導入経路、ケースおよび圧力容器の特性、空力および関連した性能、重量、ならびにコストを全体的なサブシステム設計として最適化することができる。これに加えて、統合化された設計は、実際的には別々の構成部品として組み立てることができない特徴(例えば、統合化されたデスワーラチューブ330と環状の空力構成部品支持体370)を可能にする。統合化された構造はまた、別々の構成部品の機能的および物理的な特性に関係した組立の危険性を減じる。したがって、統合化された設計によって、サブシステムを予測可能で繰り返し可能に製造することができる。
【００３２】
本明細書では、好ましい実施形態を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。説明した様々な実施形態からの態様、およびそれぞれのこのような態様に対する他の知られている等価物は、当業者によって混合され、適合されて、本出願の原理によるさらなる実施形態および技法を構築することができる。
【００３３】
下記の条項の主題によって本発明の更なる態様が提供される。
【００３４】
［第１項］
縦方向のシャフトおよびロータを含む回転構成部品から荷重を伝えるための装置であって、
前記回転構成部品を支持する一体型の上部構造を備え、前記一体型の上部構造が、
前記シャフトと接触する軸受部分と、
前記ロータから半径方向外向きに臨界寸法だけ間隔を空けて配置されたステータ部分と、
前記軸受部分から前記ステータ部分まで軸方向前方に延在する第1の環状伝達部分と、
前記上部構造をフレームに接続する取付フランジと、
前記ステータ部分から前記取付フランジまで軸方向後方に延在する第2の環状伝達部分と
を備えた、装置。
【００３５】
［第２項］
前記第1の環状伝達部分および前記第2の環状伝達部分によって、前記ステータ部分が、前記装置の温度が上昇したときに前記ロータと同じ方向に移動することができる、第１項に記載の装置。
【００３６】
［第３項］
前記装置の温度が少なくとも華氏200度上昇したときに前記臨界寸法が10%以内に保たれる、第１項又は第２項に記載の装置。
【００３７】
［第４項］
回転シャフトと上部構造の軸受部分とを接触させることによって前記シャフトから前記軸受部分に荷重を伝えるステップと、
前記上部構造の第1の環状支持体を介して前記軸受部分からステータ部分に前記荷重を伝えるステップと、
前記上部構造の前記ステータ部分から第2の環状支持体に前記荷重を伝えるステップと、
前記第2の環状支持体から取付タブに前記荷重を伝えるステップと、
前記取付タブから乗物に前記荷重を伝えるステップと
を含む軸受荷重を分布させる方法。
【００３８】
［第５項］
前記回転シャフトがロータに結合され、前記ロータと前記ステータ部分との間に臨界寸法が画定される、第４項に記載の方法。
【００３９】
［第６項］
前記ロータの温度および前記ステータ部分の温度が少なくとも華氏200度上昇したときに前記臨界寸法を10%以内に保つステップをさらに含む、第４項又は第５項に記載の方法。
【００４０】
［第７項］
縦方向近位のディフューザケース部分、少なくとも1つの取付フランジ、および縦方向遠位の燃焼器ケース部分を含む外側ケースと、
環状の空力部分支持体を介して前記外側ケースに接続された空力構成部品であって、ディフューザ部分、および前記ディフューザ部分の半径方向端部から前記燃焼器ケース部分の内部まで延在する複数の接続チューブを備えるデスワーラ部分を含む空力構成部品と
を備える一体式上部構造を備えるガスタービンエンジンの構成部品。
【００４１】
［第８項］
前記環状の空力部分支持体が、前記外側ケースの内部を前方領域と後方領域とに分け、前記複数の接続チューブが前記前方領域から前記後方領域まで延在する、第７項に記載の構成部品。
【００４２】
［第９項］
前記ディフューザ部分がインペラから臨界寸法だけ間隔を空けて配置された、第７項又は第８項に記載の構成部品。
【００４３】
［第１０項］
前記空力構成部品の温度が上昇すると、前記空力構成部品が半径方向に膨張し、前記空力構成部品の軸方向の移動が閾値未満である、第７項から第９項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００４４】
［第１１項］
前記空力構成部品の前記温度が少なくとも華氏200度上昇したときに前記臨界寸法が10%以内に保たれる、第７項から第１０項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００４５】
［第１２項］
前記デスワーラ部分が、前記インペラの軸方向後方に圧縮機インペラ背壁スワールプレートをさらに備えた、第７項から第１１項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００４６】
［第１３項］
前記空力構成部品の軸方向後方面から延在する油溜めハウジングであって、タービン冷却通路が埋め込まれた油溜めハウジングをさらに備えた第７項から第１２項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００４７】
［第１４項］
前記複数の接続チューブが、前記油溜めハウジングの外壁の一部分を形成し、前記複数の接続チューブが、前記複数の接続チューブと前記油溜めハウジングの内部との間の流体連通を可能にする複数の空気抜取ポートを含む、第７項から第１３項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００４８】
［第１５項］
前記油溜めハウジングの後方端部に配置されたタービン冷却加速器をさらに備えた第７項から第１４項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００４９】
［第１６項］
前記油溜めハウジングから半径方向内向きに延在する少なくとも1つの軸受をさらに備え、前記油溜めハウジングが、前記空力構成部品および前記空力部分支持体を介して前記少なくとも1つの取付フランジに軸受荷重を分布させる、第７項から第１５項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００５０】
［第１７項］
前記外側ケースが、前記前方領域から前記外側ケースの後方端部まで延在するタービン冷却通路をさらに備えた、第７項から第１６項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００５１】
［第１８項］
前記インペラ背壁スワールプレートの軸方向後方面から延在する三角形断面を有する環状のインペラ背壁補強部をさらに備えた第７項から第１７項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００５２】
［第１９項］
前記環状の空力部分支持体が、前記外側ケースと前記空力構成部品との間の熱結合を制限する、第７項から第１８項のいずれか一項に記載の構成部品。
【００５３】
［第２０項］
ガスタービンエンジン内の荷重を支持する方法であって、
回転シャフトと油溜めハウジングの軸受部分とを接触させることによって前記シャフトから前記軸受部分に荷重を伝えるステップと、
前記油溜めハウジングの円錐部材を介して前記軸受部分から、ディフューザ部分、および前記ディフューザ部分の半径方向遠位端から燃焼器ケースの内部まで延在する複数の接続チューブを備えたデスワーラ部分を含む空力構成部品に前記荷重を伝えるステップと、
前記空力構成部品から、前記複数の接続チューブに接続された環状の空力構成部品支持体に前記荷重を伝えるステップと、
前記環状の空力構成部品支持体から取付タブに前記荷重を伝えるステップと、
前記取付タブから、前記ガスタービンエンジンを支持するフレームに前記荷重を伝えるステップと
を備えた方法。
【符号の説明】
【００５４】
100  システム
102  境界部
110  圧縮機
112  圧縮機ケース
114  インペラ
116  インペラシュラウド
118  接続具
120  燃焼器
122  燃焼器ケース
124  取付点
126  シャフト
128  軸受
130  空力構成部品
134  油溜めハウジング
136  荷重経路
150  挿入部分
152  高温のインペラ
154  高温のディフューザ
200  一体式上部構造
210  外側ケース
212  燃料ノズルポート
214  取付タブ、取付フランジ
216  点火器ポート
218  計測ポート
230  軸受油溜めハウジング
232  軸受支持体
234  シャフト
236  円錐部分
240  タービン冷却通路
242  加速器
244  軸受油溜めシール面
246  タービン取付面
250  ディフューザケース部分
252  圧縮機フランジ
254  冷却空気通路
260  燃焼器ケース部分
300  空力構成部品
310  ディフューザ部分
312  縁
314  内部通路
320  背壁スワールプレート
322  インペラ背壁補強部
330  デスワーラチューブ
332  空気抜取ポート
334  デスワーラ出口
370  空力構成部品支持体
1114  高温のインペラ
1136  荷重経路
1150  挿入図
1310  高温のディフューザ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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